1325-Electrotechnica_lab

20

ника отмечается щелчком мыши на выводе компонента. Передвигая курсор, не отпуская левую клавишу мыши, прокладывают проводник по полю чертежа. Если курсор движется по горизонтали или вертикали, прокладывается прямолинейный проводник. Если же он движется по диагонали, образуется один изгиб под углом 90 . Отпускание клавиши фиксирует окончание линии.

Электрические соединения образуются, когда проводник заканчивается в средней части другого проводника, образуя Т-образную цепь. Наличие такого соединения обозначается точкой, как на обычных принципиальных электрических схемах. Соединения образуются также, если проводник пересекает конечную точку другого проводника или вывод ЭРЭ. Если в процессе проведения проводника он пересекает другой проводник, не останавливаясь в точке пересечения, электрическое соединение не образуется и точка не проставляется.

Проверка контактов между выводами ЭРЭ и электрическими проводни-

ками делается путем нажатия пиктограммы (Pin Connection). Если между выводом ЭРЭ и электрическим проводником появилась красная точка, значит контакт имеет место. В противном случае, программа MicroCAP расценивает отсутствие точки как разрыв цепи, при этом следует заново перерисовать проводник.

Прием №6. Отображение на схеме электрической принципиальной номеров контрольных точек. Перед началом любого вида анализа необходимо отобразить номера контрольных точек. Номера контрольных точек нужны, чтобы задавать символические выражения для обозначения уровней напряжений, падений напряжений между различными участками электрической схемы. Отображение контрольных точек происходит путем нажатия на

пиктограмму . Программа MicroCAP осуществляет нумерацию контрольных точек автоматически, причем точка с нулевым потенциалом на поле чертежа не отмечается и при записи любых символических выражений не указывается. В нашем примере (рисунок 2) на схеме имеется шесть контрольных точек, не считая точки с нулевым потенциалом. На поле чертежа номера контрольных точек заключены в кружочки.

Прием №7. Анализ схемы электрической принципиальной по постоянному току. Расчет режима по постоянному току сводится к нахождению потенциалов всех узлов схемы и токов, протекающих во всех ветвях. Можно также оценить мощность, рассеиваемую в ветвях и состояния p-n переходов: LIN – линейный режим; ON – переход открыт; OFF – переход закрыт; SAT - находится в режиме насыщения.

Расчет режима по постоянному току выполняется по команде Analy-

sis/Dynamic DC. После этого нажатие на пиктограммы позволяет оценить потенциалы узлов, токи в ветвях, мощности рассеивания и состояния p-n переходов, соответственно. Для нашего примера результаты анализа по постоянному току приведены на рисунке 6 (показаны одновременно все чис-

21

ловые данные). Числовые данные, заключенные в прямоугольные рамки со скругленными углами, показывают потенциалы в вольтах относительно общего проводника в контрольных точках. Числовые данные в прямоугольных рамках показывают токи в ветвях в амперах. Числовые данные, которым предшествует символы pd или pg, обозначают рассеиваемую и потребляемую мощность в ваттах, соответственно. Заметим, что при обозначении уровней напряжений, токов в ветвях и мощностей на поле чертежа программа MicroCAP также применяет резервированные суффиксы для дольных и кратных единиц.

Рисунок 6 – Анализ электрической схемы по постоянному току

Результаты анализа электрической схемы по постоянному току всегда дают исчерпывающую информацию о режимах полупроводниковых приборов, правильности положения рабочих точек и подачи питающих напряжений. В нашем случае можно видеть (рисунок 6), что транзистор VT1 находится в линейном режиме (ключевое слово LIN). Это положение подтверждается тем, что падение напряжение база-эмиттер составляет 2.443В – 1.746В = 0.697В, следовательно транзистор открыт. Ток коллектора превышает ток базы в 6.953 10-3/38.095 10-6 = 182 раза. Напряжение на коллекторе транзистора, равно питающему напряжению схемы 5В, т.к. индуктивность L1 на постоянном токе представляется обычным проводником и шунтирует резистор R3. Поскольку по постоянному току имеется гальваническая развязка в виде емкости C4, то напряжение на диоде и ток через диод практически отсутствуют. В этих условиях полупроводниковый диод закрыт (ключевое слово OFF).

Прием №8. Анализ по постоянному току с вариацией одного или двух параметров. В этом режиме рассчитываются передаточные характеристики по постоянному току. Ко входам цепи подключается один или два независимых источников постоянного напряжения или тока. В качестве сигнала может рассматриваться разность узловых потенциалов или ток через ветвь, в которую включен резистор.

Построим семейство передаточных характеристик UВЫХ = f(UВХ) усилительного каскада на основе транзистора VT1 при различных питающих напряжениях источника V2 = 3, 4, 5, 6, 7В. Предполагается, что во внешнем цикле будет варьироваться напряжение питания источника V2, а во внутрен-

22

нем – входное напряжение UВХ универсального источника напряжения V1. Подвергнем преобразованию исходную схему на рисунке 2 – исключим из нее разделительную емкость С1 и индуктивность L1. Как было сказано ранее, на постоянном токе емкость представляет собой разрыв электрической цепи, а индуктивность представляет собой шунт. Заметим, что в электрической схеме (рисунок 7) за счет преобразований исчезла одна из контрольных точек под номером 6.

Рисунок 7 – Преобразованная схема электрическая принципиальная

Многовариантный анализ по постоянному току выполняется по команде Analysis/DC. После этого появляется диалоговое окно задания параметров моделирования DC Analysis Limits (рисунок 8). В строках Variable 1 (Переменная 1) и Variable 2 (Переменная 2) задаются параметры вариации двух независимых переменных, причем считается, что в строке Variable 1 название переменной внутреннего цикла, а в строке Variable 2 – внешнего. Этот порядок имеет существенное значение, т.к. если указать переменные наоборот, то будет получено совершенно другое семейство характеристик. Параметр Method (Метод) определяет один из методов приращения независимой переменной: None (Никакой), Linear (Линейный), Log (Логарифмический), List (Произвольный список значений). Значение None используется в случае, когда варьирование второй независимой переменной не требуется, при этом вместо семейства будет построена единственная характеристика. Параметр Name (Имя) определяет наименование независимой переменной, которая должна варьироваться. Заметим, что в выпадающем списке для этого поля перечислены наименования допустимых для варьирования переменных. Обычно в этом списке присутствуют: температура окружающей среды, позиционные обозначения источников тока и напряжения, наименования математических моделей многопараметрических ЭРЭ. Если в качестве параметра Name выбрано имя математической модели многопараметрического ЭРЭ, то становится активной безымянная строка ввода, которая расположена правее. В указанной строке ввода из выпадающего списка необходимо выбрать конкретный параметр математической модели многопараметрического ЭРЭ, который будет варьироваться. Параметр Range (Диапазон) определяет пределы и шаг варьирования независимой переменной. По правилам программы Micro-

CAP через запятую сначала указывают максимальное, затем минимальное значения диапазона, затем шаг приращения переменной.

23

Рисунок 8 – Диалоговое окно для задания параметров моделирования по постоянному току

Если в ходе анализа по постоянному току требуется вариация температуры окружающей среды, то это можно сделать альтернативным способом в блоке Temperature (Температура) в строках ввода Method и Range. Ввод параметров в эти строки происходит аналогично рассмотренному выше способу. При проведении любого вида анализа всегда рекомендуется включать опцию Auto Scale Range (Автоматическое масштабирование). Эта опция позволяет программе MicroCAP в автоматическом режиме подбирать такой масштаб представления графиков, чтобы они максимально заполняли рабочее пространство окна.

В нижней части диалогового окна находится таблица для задания физических величин, которые будут отложены на графиках по осям абсцисс и ординат. Физические величины записываются при помощи символических выражений, в которых указывают потенциалы в контрольных точках, падения напряжений между выводами ЭРЭ, токи в ветвях. Правила обозначения потенциалов, напряжений, токов для разных ЭРЭ в символических выражениях приведены в Приложении 1. С помощью символических выражений можно составлять достаточно сложные конструкции, которые могут иметь размерность ом, ватт и пр. и содержать математические операции и функции. Столбец P определяет номер графика, на котором будет отображена требуемая характеристика. На одном экране допускается размещать несколько графиков, на каждом из которых, в свою очередь, может быть несколько характеристик. В столбцах X Expression (Выражение по оси абсцисс) и Y Expression (Выражение по оси ординат) указывают, соответственно, символическое выражение для аргумента функции и символическое выражение самой функции. Если включена опция Auto Scale Range, то на значения в столбцах X Range (Диапазон по оси Х) и Y Range (Диапазон по оси Y) можно не обращать внимание.

24

Запуск на моделирование происходит при нажатии на кнопку Run.

В нашем примере (см. рисунок 8) переменные V1 и V2 (позиционные обозначения источников напряжения) варьируются с линейным шагом приращения: от 1.6В до 0В с шагом 5 мВ и от 7В до 3В с шагом 1В, соответственно. По оси абсцисс откладывается аргумент семейства передаточных функций – входное напряжение UВХ. С точки зрения программы MicroCAP входное напряжение – это потенциал в контрольной точке 2 (см. рисунок 7), поэтому в строке X Expression записано символическое выражение V(2). По оси ординат откладываются значения передаточной функции UВЫХ = f(UВХ). С точки зрения программы MicroCAP выходное напряжение усилительного каскада UВЫХ – это потенциал в контрольной точке 1 (см. рисунок 7), поэтому в строке Y Expression записано символическое выражение V(1).

Результат анализа по постоянному току – семейство передаточных характеристик – представлен на рисунке 9.

Рисунок 9 – Семейство передаточных характеристик UВЫХ = f(UВХ) при различных питающих напряжениях

Прием №9. Анализ графиков функций. В режиме отображения гра-

фиков в программе MicroCAP видоизменяется вторая панель инструментов по сравнению с той, которая представлена на рисунке 1. На панели инструментов появляются пиктограммы, предназначенные для работы с графиками. Кроме этого, в строке меню появляется пункт Scope (Измерения), где командами продублировано действие пиктограмм.

Первые семь пиктограмм позволяют работать в следующих режимах: 1. - режим выбора объектов (Select Mode), изображенных на экране;

25

2. - режим масштабирования (Scale Mode), позволяет увеличивать произвольные фрагменты графиков; при этом следует сначала с помощью мыши протянуть воображаемый прямоугольник над тем фрагментом, который нужно увеличить;

3. - режим электронного курсора (Cursor Mode), позволяет считывать координаты одной или двух точек на графике.

4. - режимы измерения по горизонтали и вертикали (Horizontal Tag Mode и Vertical Tag Mode), соответственно; позволяют оценивать расстояние между двумя выбранными точками графика;

5. - режим нанесения на график значений координат выбранной точ-

ки (Tag Mode);

6. - текстовый режим (Text Mode); позволяет наносить произвольный текст на графики, в том числе и по-русски.

Нажатие на пиктограмму позволяет отобразить на графике расчетные точки. По умолчанию расчетные точки на графике функции не видны, виден лишь результат линейной аппроксимации между этими точками.

В режиме электронного курсора на экране появляются два вертикальных уровня: левый и правый, которые перемещаются по экрану при помощи мыши с нажатой левой или правой клавишей, соответственно (рисунок 9). При этом происходит считывания координат точек на графике и отображение их в рамке. Значения разности координат между электронными курсорами можно оценить в столбце Delta внизу графика. Первое значение – разность между координатами по оси ординат, второе значение – разность между координатами по оси абсцисс. Координаты положения электронных курсоров также дублируются в столбцах Left и Right. В столбце Slope (Наклон) вычисляется отношение разности двух значений ординат к разности соответствую-

щих значений абсцисс. Пиктограммы активируются в режиме электронного курсора и служат для перемещения к следующему максимуму или ми-

щению курсора к следующей точке перегиба, т.е. точке, в которой производная графика меняет свой знак. Если на экране представлено семейство характеристик, то переход электронного курсора с одного графика на другой происходит нажатием на клавиши и .

Для того, чтобы узнать при каких значениях второй независимой переменной была получена та или иная характеристика семейства кривых следует применить команду Scope / Label Branches (Измерение / Отметить уровни). В результате возле каждой характеристики семейства автоматически появляется наименование второй варьируемой переменной и ее различные числовые значения. Кроме этого существует способ позиционирования указателя мыши на интересующей характеристике семейства. При этом в строке статуса, в пра-

26

вом нижнем углу, также появятся сведения, при каком значении второй варьируемой переменной была получена рассматриваемая характеристика.

В нашем примере на рисунке 9 показаны результаты действий с помощью некоторых из перечисленных пиктограмм. На рисунке нанесены с помощью команды Scope / Label Branches числовые значения напряжения источника питания V2. Электронный курсор установлен на средний график семейства характеристик. Если навести указатель мыши на этот график, то в строке статуса появятся следующие данные:

Первые два параметра показывают текущее положение указателя мыши при его наведении на график, а последний параметр показывает, чему была равна вторая независимая переменная при построении указанного графика. Особого значения координаты указателя мыши не имеют, т.к. наведение указателя мыши можно произвести в любую точку на интересующем нас графике. Основная информация – средний график семейства характеристик получен при напряжении питания V2 = 5В, что совпадает с ранее нанесенным значением.

Вертикальные уровни электронного курсора выставлены таким образом, чтобы оценить линейный участок передаточной характеристики. Помимо координат точек, которые задают границы линейного участка (0.562; 4.85 и 0.881;0.368), можно видеть их разность по осям координат ( х = UВХ = 0.319В; y = UВЫХ = 4.483В). В столбце Slope для рассматриваемого линейного участка вычислена его крутизна y/ х = 14.04 раз. На средний график семейства характеристик нанесены координаты точки (0.56; 4.858), которая приблизительно определяет верхнюю границу линейного участка передаточной характеристики. Для всего семейства измерен горизонтальный разброс характеристик на линейном участке (0.25В), а также измерен вертикальный разброс характеристик на участке насыщения (4.002В).

Прием №10. Анализ электронной схемы в частотной области. При анализе электронных схем в частотной области сначала рассчитывается режим по постоянному току, затем линеаризуются все нелинейные компоненты и выполняется расчет комплексных амплитуд узловых потенциалов и токов ветвей. Ко входу схемы обязательно должен быть подключен источник сигнала с указанием параметра AC magnitude (см. прием №2). При расчете частотных характеристик комплексная амплитуда этого сигнала полагается равной 1В, начальная фаза нулевая (независимо от того, как заданы значения параметров модели сигнала).

Построим амплитудно-частотную и фазо-частотную характеристики амплитудного детектора. Для этого снова вернемся к исходной схеме амплитудного детектора, изображенной на рисунке 2. Искомые характеристики снимаем с выхода амплитудного детектора, который обозначен контрольной точкой 5.

27

Частотный анализ электронной схемы выполняется по команде Analysis/AC. После этого появляется диалоговое окно задания параметров моделирования AC Analysis Limits (рисунок 10). В строке ввода Frequency Range (Диапазон частот) определяют через запятую конечную и начальную частоту диапазона. Напомним, что по правилам программы MicroCAP сначала указывают максимальное значение диапазона, а затем – минимальное. В выпадающем списке Frequency Step (Частотный шаг) выбирают метод приращения частоты: Auto (Автоматический), Linear (Линейный), Log (Логарифмический), List (Произвольный список значений). Если в списке Frequency Step выбран параметр Linear, Log или List, то становится активной строка ввода Number of Points (Количество точек) для определения количества точек, в которых производится расчет частотных характеристик. Опцию Auto Scale Range (Автомасштабирование) рекомендуется включать по причине, которая была рассмотрена в приеме №8.

В нижней части диалогового окна в таблице задают символические выражения для обозначения физических величин, откладываемых по осям координат будущего графика. Слева от каждой строки таблицы находятся по пять графических кнопок, которые задают способ отображения графика на экране.

Важное значение имеют две первые графические кнопки . Нажатие на первую кнопку переключает логарифмическую ось абсцисс на линейную и наоборот. Нажатие на вторую кнопку приводит к выполнению аналогичных действий для оси ординат. По умолчанию при проведении частотного анализа задается логарифмическая ось абсцисс и линейная ось ординат. Заметим, что задание вида координатных осей и установка параметра Frequency Step взаимно не влияют друг на друга. Поэтому рекомендуется всегда контролировать соответствие этих двух параметров.

Рисунок 10 - Диалоговое окно для задания параметров моделирования в частотной области

28

В нашем примере (рисунок 10) частотный анализ проводится в диапазоне от 15 кГц до 5 кГц. Для обозначения приставки «кило» использован стандартный суффикс k. Изменение частоты на графике будет происходить по логарифмическому закону, при этом количество расчетных точек задано 1000. В таблице задано построение двух независимых графиков (в столбце P имеются цифры 1 и 2). Связано это с тем, что амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики имеют различные единицы измерения. В качестве аргумента при проведении частотного вида анализа выступает частота (столбец X Expression). В программе MicroCAP переменная F является резервированной и всегда обозначает частоту. Кроме этого, существует еще целый ряд резервированных переменных, полный перечень которых приведен в Приложении 1. Для первого графика по оси ординат откладывается амплитуда выходного сигнала, выраженная в децибелах db(v(5)). Для второго графика по оси ординат откладывается фазовый угол комплексного выходного сигнала, выраженный в градусах ph(v(5)). При записи этих величин использованы стандартные функции MicroCAP для работы с комплексными числами. Полный перечень таких функций также приведен в Приложении 1. Использована логарифмическая ось абсцисс и линейная ось ординат.

Результаты моделирования – амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики приведены на рисунке 11. В режиме электронного курсора на

верхнем графике с помощью пиктограммы (см. панель инструментов в приеме №9) найден максимум амплитудно-частотной характеристики, соответствующий резонансной частоте 10 кГц. Максимальная амплитуда сигнала на резонансной частот 8.36 дБ. На нижнем графике в том же режиме с помо-

щью пиктограммы найдена точка перегиба фазо-частотной характеристики, которая также соответствует резонансной частоте. На резонансной частоте фазовый угол составляет 98.316 .

Прием №11. Анализ электронной схемы во временной области.

Анализ во временной области всегда проводится с момента времени t = 0. Перед началом анализа во временной области происходит расчет режима по постоянному току. Режим по постоянному току определяет начальные условия для расчета переходных процессов. Это связано с тем, что значения источников сигналов в нулевой момент времени могут отличаться от их постоянных составляющих.

Построим на интервале [0, 2мс] следующие временные зависимости:

-ток, протекающий через диод VD1;

-напряжение на нагрузке транзистора VT1;

-напряжение, действующее на разделительной емкости C4.

Заметим, что напряжение на нагрузке транзистора VT1 измеряется относительно общего проводника, т.е. искомое напряжение – это потенциал в контрольной точке 1 (см. рисунок 2). Напряжение на емкости C4 – это разность потенциалов между контрольными точками 1 и 5.

29

Рисунок 11 – Амплитудно-частотная (вверху) и фазо-частотная характеристики амплитудного детектора

Временной анализ электронной схемы выполняется по команде Analysis/Transient. После этого появляется диалоговое окно задания параметров моделирования Transient Analysis Limits (рисунок 12). В строке ввода Time Range (Временной диапазон) указывают время окончания временного анализа. Как было сказано выше, временной анализ всегда начинается с момента t = 0. В строке ввода Maximum Time Step (Максимальный временной шаг) указывают максимальный шаг интегрирования в вычислительном алгоритме. Чем мельче этот шаг, тем точнее графики функций. Допускается шаг интегрирования не задавать вообще, в этом случае программа MicroCAP проводит расчеты с автоматически подобранным шагом. Включенная опция Operating Point (Рабочая точка) указывает на необходимость перед началом анализа во временной области выполнить расчет по постоянному току. Иногда эту опцию выключают, например, при расчете электронных схем, работающих в нестационарном режиме. В нижней части диалогового окна расположена таблица, определяющая параметры графиков функций. Принцип ее заполнения рассмотрен в приеме № 8.

В нашем примере (рисунок 12) задано время окончания временного анализа 2 мс. Для обозначения приставки «милли» использован стандартный суффикс m. Максимальный шаг интегрирования принят 0.005 мс. Включены опции предварительного расчета по постоянному току и автомасштабирования. В таблице определены два графика (цифры 1 и 2 в столбце P), на одном из которых будут отображены две характеристики, имеющие размерность напряжения; на втором – будет изображен единственный график, имеющий